智能压力变送器

发表于 2019-5-21 13:18

本文主要以物联网压力变送器终端为研究对象，阐述了物联网变送器系统的
总体构架，系统硬件、软件设计以及传感器数据采集传输、非线性补偿。首先，
通过对物联网体系架构和相关技术的了解掌握，给出了面向物联网的智能压力变
送器系统的总体设计方案，并且确定了研究路线及方法;然后，依据总体的设计
思想，制定出具体的硬件设计方案。根据硬件设计方案详细的设计了物联网变送
器各个单元模块，主要包含微处理器控制模块、传感器模块、采集模块、GPS定
位模块和网关模块等;接着，根据物联网变送器的总体功能要求及硬件接口设计，
完成物联网变送器的软件设计，同时重点对变送器数据的非线性处理做了详细介
绍，主要是采用了多温区多段最小二乘补偿算法，提高了系统输出信号的线性度;
最后，通过对硬件和软件的调试，来对物联网变送器系统的各项性能进行评估;
并且着重对变送器的非线性补偿结果做了分析。
通过对变送器各模块的测试，系统工作一切正常，能够完成各项设计功能;
经过非线性算法补偿后，系统最大的非线性误差提高到0. 1%左右，线性度得到
了较大的提高。

发表于 2019-5-21 13:18

变送器是一种能够输出规定标准信号的传感器系统，它的性能和功能都优于
普通的传感器，它是对于传感器的原始数据进行数据采集、采集信号调理、非线
性补偿等，通过微处理器进行控制为后端设备提供便于传送和处理的标准线性化
信号，此外变送器还包含多种外设接口，可以将采集信号传送给不同的设备「1] [2]
因此，变送器成为工业生产中最重要的仪器仪表，被广泛的应用于我国国民经济
的各个领域，如化工、冶金、纺织、水利、能源、航空、航天、楼宇供水供热、
城市污水处理等各个领域和部门「3]

发表于 2019-5-21 13:19

近些年来，随着电子技术的不断发展，工业过程控制中对变送器性能要求也
口益提高，最初模拟式的变送器由于其整体测量精度差，容易受外界干扰，对温
度漂移补偿能力弱等缺点逐渐被市场所淘汰。从目前市场来看，数字式的压力变
送器深受欢迎，它是模拟型向智能型转化的过渡性产品「al。其输出保留了传统的4 }-
20mA工业标准电信号，并且出现了多种总线「5」通讯方式将采集信号进行向外传送，
如:BitBus, HART, ProfiBus, FF, CAN等其它类型的总线「6] [i]。利用现场总线将
现场的仪器设备与室内控制系统连接在一起，实现了一套完整的总线控制系统。
这是在工业控制中的一次技术突破，控制方式灵活可靠，便于管理人员操作。
随着互联网「8」的发展和微电子技术的不断提高，尤其是物联网的出现，更是引
起了一次信息化的变革「9] [10]智能化的变送器便由此而生，它作为工业过程中检测
和控制的基础仪表，具有巨大的市场潜力和广阔的发展前景。

发表于 2019-5-21 13:19

本课题来自中国航天科技集团第四研究院44所物联网变送器研发项目，航天
44所始终把推动航天事业为己任，多年来一直关注变送器的发展趋势，紧跟变送
器领域世界的最前沿，**走自主创新的发展道路。前期所设计制造的溅射薄膜
传感器无论是在制造工艺还是在测量精度方面都已走在了国内前列。在目前已于
国内多家油气田进行了项目合作，在长庆油田项目中44所的压力变送器主要用于
油井的油压及水井的水压测量，长庆油田每年更换的压力变送器数量相当大，同
时正在进行油田数字化建设，这块市场需求份额是相当诱人的，所以所领导高瞻
远瞩，提出了设计研发面向物联网的智能压力变送器的要求，对于占领市场，丰
富所里变送器型号将有很大的帮助。本人是在研二时在航天44所实习期间有幸参
与了整个项目的研制。

发表于 2019-5-21 13:19

随近年来，随着科技的不断发展进步，传感器信息采集技术、网络通信技术
和计算机信息技术已经成为当代信息技术的主要基础「14]。变送器集信息采集技术
和通信技术与一体，属于国际上信息化技术的高端产品。从变送器的发展历程来
看，主要经历了以下几个阶段:(1)传统的分立式变送器(含敏感元件);2
模拟集成变送器;(3)智能变送器。目前，变送器正朝着智能化多样化的方向发
展「1}}。
传统的分立式变送器，这类变送器的制作工艺简单，集成化程度非常低，设
备功能单一，只可以用来采集信号。第二类模拟集成化的传感器，其制造工艺相
对复杂，一般采用硅半导体材料制成。它最早起源于20世纪80年代中期，是将
温度或压力等敏感器件和模数转换器等其它调理模块集成于一块芯片上，可同时
完成信号的测量和输出功能「16] [1 . ]。模拟集成传感器的显著特点是制作成本低、体
积小、功耗低、响应速度快且外围电路较简单。但缺点是功能单一，一种变送器
只能提取一种信息参量。
智能化变送器的产生是在变送器历史上的又一次技术飞越。在变送器内部，
随着芯片制作工艺的提升，越来越多集成化程度高、功能强大的芯片也雨后春笋
般的出现在各种设备和产品中。变送器也开始朝着智能化、网络化的方向发展。
体积越来越小，一台变送器就可实现多参量的测量，人机交互变得更加方便快捷，
这些都是智能化变送器的特点，它的出现为人们的生产生活提供了更多意想不到
的便利「18]

发表于 2019-5-21 13:19

物联网，其英文名称是工nternet of Things(简写:工OT)，是一种互联网的
拓展和延伸「19]。它是利用红外感应(工of二二d工nduction),射频识别(Radio
Frequency工Dentification，简称RF工D)、全球定位技术(Global Positioning
Systm，简称GPS)和扫描技术(Scanning Technique)等信息采集设备，按某种
互相约定的协议把世界上的所有物品与互联网相连接起来，以实现数据信息相互
交换和通讯的一种网络「zoo }zl}。早在2009年物联网的概念就被提了出来，最早起源
于工BM公司“智慧地球”的构想，这个概念刚一出现时，顿时间成为全世界所讨
论和关注的热点。由于物联网技术的发展关系到国家的形态和安全，以至于未来
社会的发展，因此世界各个国家都把物联网技术的研究发展提升到国家战略的重
要高度圈。

发表于 2019-5-21 13:20

在国内，物联网也得到了迅猛的发展「绷「绷0 2009年，温总理视察无锡物联网
建设情况后「州，高度重视物联网技术今后在中国的应用和发展，国家要大力扶持
这种新型技术的发展，“物联网”这个概念从此迅速传遍整个国内。与国外发展相
比，我国物联网技术起步较晚，但是在最近几年也取得了重大进展。在2008年以
前，标准的传感网络体系框架在我国已经初步形成，并且国际标准化管理会对我
国多项新标准给予认可和肯定，传感网络的标准化在我国已经初见成效「28] [29] 0 2n, n
年初，我国首次立了专门管理和制定物联网相关政策的组织一一传感网络标准工
作组，这标志着我国的物联网技术正在积极的向前迈进。
正是基于物联网的发展和未来的广阔前景，这款面向物联网的智能压力变送
器作为一个网络终端产品，其意义显得尤为重要。变送器未来将朝着以下几个方
面发展。(1)、更加智能化，人机界面设计更加友好，管理监控更加方便快捷。(2 } v
集成化程度高，一台设备具备多种功能，可实现多种参量的采集，这将大大节约
了生产成本。(3)、从目前市场来看，对小型压力变送器的需求越来越大。主要原
因是它体积小，可靠性高，可以在比较恶劣的条件下工作。美国一家公司生产的
体内血压测量计，将压力变送器植入人体血管内，可以实时的对血压情况进行监
测，同时又不影响血液的流通，对于医生病情诊断或病人自行检查都非常方便实
用;(4)、标准化变送器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如工SO国际质
量体系;美国的ANS工、ASTM标准、俄罗斯的OCT、口本的J工s标准等。随着对工业
过程控制要求的提高和网络技术的发展，物联网变送器一定会带来一次变送器的
革命，它的使用将会深入国民生活生产的各个领域。

发表于 2019-5-21 13:20

在国内，物联网也得到了迅猛的发展「绷「绷0 2009年，温总理视察无锡物联网
建设情况后「州，高度重视物联网技术今后在中国的应用和发展，国家要大力扶持
这种新型技术的发展，“物联网”这个概念从此迅速传遍整个国内。与国外发展相
比，我国物联网技术起步较晚，但是在最近几年也取得了重大进展。在2008年以
前，标准的传感网络体系框架在我国已经初步形成，并且国际标准化管理会对我
国多项新标准给予认可和肯定，传感网络的标准化在我国已经初见成效「28] [29] 0 2n, n
年初，我国首次立了专门管理和制定物联网相关政策的组织一一传感网络标准工
作组，这标志着我国的物联网技术正在积极的向前迈进。
正是基于物联网的发展和未来的广阔前景，这款面向物联网的智能压力变送
器作为一个网络终端产品，其意义显得尤为重要。变送器未来将朝着以下几个方
面发展。(1)、更加智能化，人机界面设计更加友好，管理监控更加方便快捷。(2 } v
集成化程度高，一台设备具备多种功能，可实现多种参量的采集，这将大大节约
了生产成本。(3)、从目前市场来看，对小型压力变送器的需求越来越大。主要原
因是它体积小，可靠性高，可以在比较恶劣的条件下工作。美国一家公司生产的
体内血压测量计，将压力变送器植入人体血管内，可以实时的对血压情况进行监
测，同时又不影响血液的流通，对于医生病情诊断或病人自行检查都非常方便实
用;(4)、标准化变送器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如工SO国际质
量体系;美国的ANS工、ASTM标准、俄罗斯的OCT、口本的J工s标准等。随着对工业
过程控制要求的提高和网络技术的发展，物联网变送器一定会带来一次变送器的
革命，它的使用将会深入国民生活生产的各个领域。

发表于 2019-5-21 13:34

本文重点阐述了面向物联网的智能压力变送器系统的整个研制和设计工作，全
文共分为六大章节，具体安排如下:
第一章绪论。介绍了本项目所研究的背景及意义、以及国内外发展状况及趋
势和本项目中所做的主要工作。
第二章物联网变送器系统总体设计。介绍了物联网的概念及体系架构，对主
要所用到的ZigBee技术、GPRS技术和GPS技术进行了简要介绍。
第三章物联网变送器系统硬件设计。介绍了溅射薄膜传感器、微处理器
CortexM3控制模块、采集模块、4-}-20mA电流输出模块、RS-422接口模块、GPS
定位模块、ZigBee无线通讯模块和网关模块的基本设计。
第四章物联网变送器系统软件设计。介绍了系统总体软件设计、采样子程序
设计、故障诊断子程序设计、ZigBee数据收发子程序设计和非线性补偿算法的实
现。
第五章物联网变送器系统测试及结果分析。详细介绍了物联网变送器的硬件
测试和软件测试，并且对非线性补偿结果进行了分析。
第六章总结与展望。对全文所做工作进行了全面的总结，并且对**中的
不足及未来的研究方向做出规划。

发表于 2019-5-21 17:22

发表于 2019-5-21 17:22

感知层相当于物联网的皮肤和五官，用于对物体的识别，信息的采集。感知
层主要是由射频识别器、识读器和传感器等信息采集设备组成。能够对物品进行
识别并且提取信息，类似于人体的皮肤，可以感知外部世界。
网络层是物联网的神经中枢和大脑，主要的作用是信息传递和处理。网络层
包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息处理中心等。它控制信息的
交换和处理，像人的大脑一样起调节调度作用。
应用层位于物联网架构的最顶层，主要体现了物联网的不同应用，它与社会
需求紧密相连，根据不同行业需求实现不同的功能。这就很类似于人们的社会分
工，最终应用于在各行各业。

发表于 2019-5-21 17:22

发表于 2019-5-21 17:24

发表于 2019-5-21 17:30

本项目主要是为大型油气田而设计，以油气田用压力传感器为目标对象，设
计完成符合油气田实际情况的，具备物联网特征的智能压力变送器。通过以每个
压力变送器为传感节点，把整个油田为划分为若干个小型传感网络。采集的节点
数据信息通过各个传感网络的网关进行汇聚后被传送至公共网络(工nternet)，然
后再传给云计算平台进行数据中转，最后上传至用户终端。用户也可通过GSM或
工nternet对变送器进行标定或设置。这其中网关的主要作用是连接传感网络与其
他的公共网络，进行协议转换和数据汇聚，起到一个连接作用。云计算数据平台
是一种互联网相关服务的延伸和拓展，通过互联网按需获取所需资源的一个信息
化服务平台，它相当于一个远程的数据服务中心，将采集的数据可以实时的存储，
如果用户需要查看变送器工作状态或采集数据，可以直接向云计算平台发送命令
进行信息提取。通过这样的一个信息网络，用户可以更加快捷有效的对生产进行
管理和监控，从而大大提高生产效率并节省成本。本**主要进行对传感节点的
研究及设计，通过现有成熟的技术将变送器成为物联网的一个终端。面向物联网
的智能压力变送器应用网络的整体结构如下图所示:

发表于 2019-5-21 17:30

发表于 2019-5-22 15:13

随着网络技术和微电子技术的不断发展，越来越多的产品已经具备了无线通
讯功能。目前，几种无线通讯技术如红外数据传输(工:DA、蓝牙技术、和无线W工一F工
技术都是在生活中常用的无线技术「3'' o ZigBee是一种优于蓝牙和红外的一种无线
技术方案，它具有设计复杂度低、功耗低、配套产品成本低等特点，且可实现双
向的无线通信，很适合于终端分布范围广的大型油气田使用「38]

发表于 2019-5-22 15:16

ZigBee网络设备通常按照功能划分为两种:一种被称为是全功能设备，另一
种被称为是简化功能设备。全功能设备是需要实现工EEE802. 15. 4协议的全部集合，
而简化功能设备一般只是根据具体的应用来实现，一般只选择实现工EEE802. 15. 4
完整协议中的部分内容，适用于传输数据较少的场合「39]
ZigBee标准中规定所有的网络节点基本分为三类:协调节点(英文全称:
Coordinator)、路由节点(英文全称:Router)和终端节点(英文全称:END Device)
CaolCail。下图则是网络节点的示意图。

发表于 2019-5-22 15:16

发表于 2019-5-22 15:17

1, ZigBee协调节点
一个ZigBee网络中一般只能有一个协调节点，并且承担协调点的设备必须是
全功能设备(FFD)，它是整个网络中的主控节点，主要承担发起网络建立、网络
参数设点、节点管理以及存储节点信息等任务，有时可在网络中充当路由器的功
育旨。
2, ZigBee路由节点
ZigBee路由节点也必须是由全功能设备(FFD)承担。ZigBee路由节点在网
络中的主要功能是承担路由发现、数据的转发、通过节点多级跳变来扩展网络的
通信覆盖范围等功能。另外，路由节点有时候可以允许被当做协调节点来使用，
只是与协调点不同的是它必须还要受协调点的控制，自己也可以作为终端节点使
用。
3, ZigBee终端节点
在ZigBee终端节点中，无论是全功能设备还是简化设备都可以用来充当终端
节点，它本身并没有路由功能，只能是依靠协调节点或者是路由节点才能实现和
网络连接。

发表于 2019-5-22 15:17

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